Экзоскелеты человека: введение

Владлен Дони, Валерий Замашкин, Олег Кубряк

Экзоскелеты человека: введение

Подготовлено на Кафедре робототехники, мехатроники, динамики и прочности машин НИУ «МЭИ» в качестве учебного пособия для студентов и аспирантов по направлению 15.03.06 Мехатроника и робототехника.

Авторы: ассистент кафедры робототехники, динамики и прочности машин НИУ «МЭИ», Дони В., ассистент кафедры робототехники, динамики и прочности машин НИУ «МЭИ», Замашкин В.В. / Под редакцией профессора кафедры робототехники, динамики и прочности машин НИУ «МЭИ», доктора биологических наук О.В. Кубряка

Рецензенты:

Соколова Юлия Владимировна, заведующий кафедрой философии, политологии, социологии им. Г. С. Арефьевой НИУ «МЭИ», кандидат философских наук, доцент

Меркурьев Игорь Владимирович, заведующий кафедрой робототехники, мехатроники, динамики и прочности машин НИУ «МЭИ», доктор технических наук, профессор

Краткое учебное пособие для тех, кто интересуется темой экзоскелетов, и кто хотел бы заниматься исследованиями, разработками в этой области. Рекомендуется в качестве дополнения к университетским лекциям и занятиям или как самостоятельное пособие, в том числе в рамках курса «Системный подход в проектировании робототехнических и мехатронных систем».

УДК 001.2/ 62

ББК А9

К 88

© Дони В., Замашкин В.В., Кубряк О.В., 2025

Предисловие

Идея этого компактного учебного пособия возникла в 2022-2023 году. Его задача – помочь формированию системного взгляда на экзоскелеты как на разновидность робототехнических устройств, человеко-машинных систем, где технические решения всегда сопряжены с биомеханикой, физиологией, этикой, реальными условиями эксплуатации и социально-культурным контекстом.

Современные образовательные программы в области мехатроники и робототехники требуют от будущих инженеров не только владения расчётными методами, но и способности видеть за конструкцией пользователя – его движения, контекст применения и возможные последствия ошибок проектирования. Поэтому в пособии последовательно рассматриваются как фундаментальные аспекты – устройство робота, принципы управления, биомеханика противодействия гравитации, – так и менее очевидные, но не менее значимые: исторические формы вспомогательных конструкций, этические рамки исследований с участием человека, особенности медицинской реабилитации, а также актуальные нормативные требования, включая работу Технического комитета ТК 320 / ПК 11 по стандартизации промышленных экзоскелетов.

Разделы построены так, чтобы показать: экзоскелет – это не просто «робот на теле». Это система, в которой кинематика суставов, стратегии управления по П.К. Анохину и Н.А. Бернштейну, культурные артефакты вроде доспехов или коромысел, современные этические требования и другие аспекты оказываются частями единого технического и гуманитарного контекста. Пособие не содержит простых рецептов и избегает технологического оптимизма. Вместо этого – инструменты для критического анализа, например: как отличить пассивный разгружающий ортез от экзоскелета, зачем в системе управления экзоскелетом могут пригодиться данные с тензодатчиков, почему энергоэффективность – не второстепенная задача, и как не допустить, чтобы устройство, созданное для помощи, начало ограничивать пользователя.

Предлагаем это компактное пособие для курса «Системный подход в проектировании робототехнических и мехатронных систем», читаемого на кафедре робототехники, мехатроники, динамики и прочности машин НИУ «МЭИ». Возможные недостатки и пробелы, связанные, в том числе, с ограниченным объёмом пособия и его форматом, надеемся, не ухудшат функциональность. Также надеемся, что пособие окажется полезным не только как вводный материал для наших студентов, но и для всех, кому интересна тема экзоскелетов.

О.В. Кубряк

Москва, декабрь 2025

1. Общие понятия. Из чего состоят роботы? Разные классификации

1.1. Что такое робот и зачем нам разбираться в его устройстве

Когда мы рассматриваем экзоскелет как активное робототехническое устройство, важно понимать его в контексте общей робототехники. Фактически полный активный экзоскелет – это разновидность шагающего робота, внутри которого находится человек. Робот не существует сам по себе: он синхронизируется с намерениями пользователя и движется совместно с ним. Именно поэтому знание общей структуры роботов необходимо, прежде чем переходить к обсуждению экзоскелетов.

Чтобы понимать возможности и ограничения экзоскелетов, нужно уметь разбирать структуру любого робота. В инженерной практике принято выделять пять ключевых подсистем. Это не строгий стандарт, но удобная логическая схема, позволяющая анализировать любые робототехнические устройства – от промышленных манипуляторов до медицинских экзоскелетов.

1.2. Пять основных подсистем робота

С инженерной точки зрения робот – это совокупность функциональных подсистем, каждая из которых решает свой практический набор задач.

Двигательная система

Это подсистема, отвечающая за создание движения. В нее входят приводы, мотор-редукторы, силовые механизмы – все, что обеспечивает перемещение звеньев робота или изменение его положения в пространстве. В экзоскелете двигательная система создает движущие усилия, которые помогают человеку ходить, поднимать груз или выполнять другое действие.

Манипуляционная система

Манипуляционная часть – это система звеньев и сочленений, обеспечивающая геометрию и кинематику движения. У промышленных роботов она управляет инструментами, у хирургов – манипуляторами для операций. У экзоскелета ее роль – создание кинематической структуры, повторяющей или расширяющей анатомию человека.

Информационно-измерительная система (сенсоры)

Задача – получить данные о состоянии машины и внешней среды. Сюда относятся датчики положения, силы, угловой скорости, давления, биологические сенсоры (например, ЭМГ), и любые другие измерительные элементы. Без сенсоров робот «слеп» и «глух»: он не знает ни о положении своих суставов, ни о взаимодействии с человеком.

Система управления

Это вычислительная часть, принимающая решения. В нее входят алгоритмы стабилизации, планирования движения, распознавания событий. Система управления анализирует информацию от сенсоров и задает приводам необходимые действия. Именно здесь определяются точность, плавность и безопасность работы устройства.

Система коммуникации

Она обеспечивает обмен данными между роботом, оператором, внешними устройствами или другими роботами. Это могут быть кабельные, беспроводные или сетевые протоколы. В экзоскелете она отвечает за связь с компьютером, пользовательским интерфейсом или клиническим программным обеспечением. Все пять подсистем вместе формируют целостную архитектуру робота. Если одна часть работает нестабильно – страдает весь комплекс.

1.3. Как классифицируют роботов

Роботы – чрезвычайно разнообразная группа устройств. Чтобы упорядочить это множество, применяют несколько независимых классификаций. Ни одна из них не является исчерпывающей; каждая лишь подчеркивает определенную инженерную логику.

Классификация по назначению

Эта классификация наиболее широка и практична. Обычно выделяют:

– универсальные роботы. Могут выполнять широкий спектр задач. Пример – роботы-манипуляторы с возможностью перенастройки;

– специализированные роботы. Адаптированы под определенный тип работ и ограничены заданными условиями;

– узкоспециализированные роботы. Созданы строго под одну функцию. Например, экзоскелет для переноски грузов или экзоскелет для восстановления походки после инсульта.

Экзоскелеты чаще всего относятся ко второй и третьей группе, поскольку их назначение определяется конкретной медицинской, рабочей или военной задачей.

Классификация по техническим параметрам

Здесь учитывают:

– тип приводов (электрические, гидравлические, пневматические);

– грузоподъемность;

– число степеней свободы;

– кинематическую схему;

– диапазоны скоростей и ускорений.

Этот критерий важен при сравнивании экзоскелетов разных производителей.

Классификация по системе управления

Роботы отличаются по уровню автономности и характеру алгоритмов:

– с ручным управлением;

– полуавтоматические;

– автоматические;

– интеллектуальные системы с адаптивным управлением;

– роботы с программно-целевым контролем;

– роботы с высокоточным управлением (например, хирургические).

Разные сферы требуют различной точности. Сравните: погрузчик может работать с сантиметровой погрешностью, хирургический робот – с субмиллиметровой.

1.4. Экзоскелет как особый тип робота

Активный полный экзоскелет удобно представлять в виде шагового робота, внутри которого находится человек. Экзоскелет не просто выполняет движение; он синхронизируется с пользователем, подает усилие строго в нужный момент, корректирует траекторию и обеспечивает безопасность при выполнении задач.

Такое устройство сочетает все пять подсистем робота, но дополняется специфической задачей – совместным движением человека и машины. Именно поэтому экзоскелеты представляют собой одну из наиболее сложных робототехнических систем.

Контрольные вопросы

1. Какие части можно условно выделить в промышленном роботе и, в принципе, в любом роботе?

2. Как можно классифицировать роботов?

3. Какую роль выполняет коммуникационная система в архитектуре экзоскелета?

4. Классифицируя роботов по назначению, можно условно выделить следующие типы:

5. Как условно можно представить активный экзоскелет человека?

2. Притяжение Земли и сопротивление живых существ

2.1. Гравитация как главный внешний фактор существования живого

Если попытаться выделить самый универсальный, самый постоянный и самый навязчивый фактор, в котором живет любое земное существо, то окажется, что это гравитация. Мы настолько привыкли к ней, что перестаем замечать ее влияние. Но организм замечает. Он фиксирует дискомфорт, ограничения, усилия – и именно это заставляет нас адаптироваться, изменяться, развиваться. По мнению член-корреспондента РАН, профессора Инесы Бенедиктовной Козловской (1927-2020), отвечавшей за медико-биологическое обеспечение космических полетов, развитие живых существ можно рассматривать как результат успешной борьбы с силами природы.

Если внимательно взглянуть на эволюцию, можно представить ее как многомиллионолетнюю историю борьбы живых существ с притяжением Земли. Чтобы удержаться, двигаться, подниматься и не разрушаться, живому приходилось формировать сложные механические и биологические решения. Так развились костный скелет, мышечная система, сенсорные механизмы и управление движением. То, что мы воспринимаем как естественный порядок вещей – стоять, ходить, держать предметы, – само по себе является победой живого над гравитацией. Именно в условиях гравитации возникла та структура, которую мы воспринимаем как человеческое тело.

2.2. Масса и вес: почему на Земле они имеют особое значение

Даже в условиях орбиты человек продолжает обладать массой. Ее можно косвенно измерить, и она остается физически значимой величиной. Но именно на поверхности Земли вес приобретает ключевую роль.

Вес определяет, какую силу нужно приложить, чтобы поднять руку, удержать позу или стабилизировать шаг. Без постоянного ощущения собственного веса человек не способен:

– координировать движение;

– оценивать усилия;

– взаимодействовать с предметами;

– сохранять чувство равновесия.

Гравитация – это не фон. Это активный участник нашего движения, постоянный противник, с которым нужно считаться.

2.3. Минимальные формы жизни: чувствует ли амеба свое движение?

Пример амебы показывает, что даже самые простые формы жизни вынуждены реагировать на внешние воздействия. У амебы нет ни мозга, ни специализированных органов чувств, однако она:

– реагирует на стимулы;

– изменяет направление движения;

– избегает вредных условий.

Говорить о ее «понимании» движения в человеческом смысле, конечно, нельзя. Но можно говорить о примитивном, механистическом уровне восприятия – примерно, как у беспилотного автомобиля, который распознает препятствие и объезжает его, не «осознавая» происходящее.

Это важный пример: даже примитивная жизнь уже работает против гравитации и среды.

2.4. Мозг как система управления движением

В контексте активности живых существ мозг следует рассматривать не как орган чувств или инструмент эмоций, а как систему управления движением. Его ключевая функция – координация активности тела в условиях притяжения Земли.

С этой точки зрения мозг – не абстрактный орган «мышления», а высокоорганизованный управляющий центр, обеспечивающий:

– устойчивость;

– точность движений;

– адаптацию к изменениям среды;

– компенсацию внешних сил, включая гравитацию.

Без этой системы человек не смог бы эффективно противостоять притяжению, а значит – не смог бы стоять, ходить, поднимать и удерживать предметы.

2.5. Скелет как живая механическая конструкция

Когда мы говорим о скелете в контексте противодействия притяжению, полезно рассматривать его не только как набор костей и не только как продукт биологии. С инженерной точки зрения это несущая конструкция, оптимизированная эволюцией под постоянный весовой фактор, и которая:

– обеспечивает устойчивость;

– распределяет нагрузки;

– взаимодействует с мышечными приводами.

В этом смысле человеческий скелет играет ту же роль, что и каркас робота, а экзоскелет – лишь внешняя конструкция, повторяющая или дополняющая функции внутренней.

Понимание того, как живое тело борется с гравитацией, помогает сформировать инженерное мышление, необходимое для создания современных экзоскелетов.

Контрольные вопросы

1. Влияет ли гравитация на формирование живых существ на Земле?

2. Зачем нужен мозг, если рассматривать вопрос с точки зрения активности живых существ?

3. Понимает ли амеба, одно из простых живых существ, куда она двигается, ощущает ли движение?

4. В контексте противодействия гравитации чем является скелет человека?

5. Почему инженер, создающий экзоскелет, должен понимать биомеханику противодействия гравитации?

3. Защитные доспехи, средства механизации, корсеты, ортезы и протезы

3.1. Исторический и культурный контекст: зачем он нужен инженеру

При создании экзоскелетов невозможно ограничиться только инженерными расчетами. Любая конструкция, предназначенная для человека, неизбежно должна учитывать культурный опыт, социальные условия, привычки, ограничения и реальные потребности пользователей. Разрыв между тем, что инженер считает «хорошей конструкцией», и тем, что человеку действительно удобно в повседневном использовании, приводит к неэффективности.

Чтобы избежать этого разрыва, необходимо работать междисциплинарно: изучать историю подобных устройств, анализировать опыт эксплуатации существующих экзоскелетов, слушать будущих пользователей, но не ограничиваться их индивидуальными мнениями. Полезные инженерные решения всегда появляются на пересечении разных наблюдений, контекстов и знаний.

3.2. Доспехи как первый «экзоскелет»

Когда мы говорим «экзоскелет», интуитивно представляется современное устройство с приводами, датчиками и электроникой. Но если отбросить детали и сосредоточиться на функции внешней защиты и поддержки тела, становится очевидно, что аналогичные конструкции сопровождали человечество тысячелетиями.

Классический пример – рыцарские доспехи. Они выполняли ключевую функцию: защищали тело от силовых воздействий. И это не ограничивалось лишь металлическим панцирем. В древности существовали кожаные, льняные и даже многослойные бумажные доспехи, которые некоторые исследователи считают весьма эффективными. Это своеобразные композиты эпохи, создававшиеся без понимания современных материаловедения и механики, но выполнявшие те же задачи.

Роль доспехов была сложнее, чем просто «защита от меча». Они неизбежно взаимодействовали с силой тяжести: могли либо усиливать усталость бойца, либо, наоборот, перераспределять нагрузку и стабилизировать тело. Например, тяжелый пояс или плотная кожаная броня могли выполнять ту же разгружающую функцию, что современные силовые пояса тяжелоатлетов.

Важно понимать, что доспехи – это не просто культурный артефакт. Это исторический пример внешней конструкции, взаимодействующей с телом, перераспределяющей нагрузки и защищающей от внешних воздействий. По сути, это ранний вариант экзоскелета, пусть и пассивного, без подвижных шарниров и приводов.

3.3. Средства малой механизации: шаг к функциональному экзоскелету

Следующий шаг в развитии внешних вспомогательных конструкций – устройства, облегчающие переноску тяжестей. Коромысло – простой, но поразительно эффективный пример. Оно перераспределяет нагрузку, снижает локальное усилие мышц плечевого пояса и позволяет переносить значительно больший вес с меньшим утомлением.

Механический принцип коромысла близок к идее пассивного экзоскелета:

– перераспределяет силу;

– снижает нагрузку на суставы;

– увеличивает выносливость человека без увеличения затрат энергии.

Современные технологические аналоги – пассивные разгружающие экзоскелеты, применяющиеся на складах, в логистике, на производствах. Они не усиливают человека за счет моторов, а оптимизируют движение и удержание позы за счет удачной кинематики и механических преимуществ конструкции.

Если говорить шире, современные экзоскелеты частично попадают в категорию средств малой механизации – машин и приспособлений, снижающих физические затраты труда. Но в отличие от классической механизации, экзоскелет работает не вместо человека, а вместе с человеком, встраиваясь в его биомеханику.

3.4. Корсеты и ортезы: конструктивные родственники экзоскелетов

Корсет – один из самых узнаваемых элементов внешней поддержки тела. Ортопедические корсеты применяются для стабилизации, коррекции, разгрузки позвоночника и тазового пояса. Внешне многие элементы современных экзоскелетов напоминают конструкции корсетов: жесткие вставки, удерживающие пояса, система фиксации, распределение давления.

Ортезы – еще один родственник экзоскелета. По определению, ортез – это наружное устройство, фиксирующее, направляющее или разгружающее суставы или сегменты тела. Этот термин включает огромный диапазон устройств – от простых голеностопных фиксаторов до сложных динамических ортезов верхней конечности.

Ключевые отличия ортеза от экзоскелета:

– ортез не усиливает двигательные функции, а стабилизирует и поддерживает;

– экзоскелет обычно обладает подвижными звеньями, механизмами или даже приводами;

– экзоскелет стремится расширить возможности тела, а ортез – сохранить или восстановить существующие.

Но в конструктивном смысле между ними много общего. Методы крепления, распределение давления, биомеханическая логика расположения элементов – все это практически идентично.

3.5. Протезы: граница между заменой и усилением

Если ортез работает с сохраненной конечностью, то протез – это замещение утраченной части тела. В этом принципиальная разница между протезом и экзоскелетом. Экзоскелет сотрудничает с биологической конечностью, а протез заменяет ее.

Однако граница между ними постепенно размывается. Современные экзоскелеты способны добавлять «третью руку», усиливать хват или стабилизировать тело человека, даже если его собственные мышцы и суставы сильно ослаблены. Это функционально приближает их к протезам, но они по-прежнему работают вместе, а не вместо биологических структур.

3.6. Инженерные уроки тысячелетней эволюции вспомогательных конструкций

Все, что человечество создавало для защиты или расширения своих физических возможностей – от древних доспехов до современных ортезов и протезов – можно рассматривать как части большой эволюции внешних вспомогательных конструкций.

Экзоскелеты – это современный этап этой эволюции. Они сохраняют функции своих предшественников (защита, поддержка, разгрузка), но дополняют их возможностью активно взаимодействовать с движением человека.

Для инженера важно понимать всю эту систему отношений:

– какие задачи решались раньше;

– как их решали;

– какие потребности людей были скрытыми, но реальными;

– где именно возникают ошибки и неудобства в современных конструкциях.

Это формирует профессиональное мышление, без которого невозможно создать действительно удобный и эффективный экзоскелет.

Контрольные вопросы

1. Если существует "разрыв" между представлением инженера-конструктора о хорошей конструкции экзоскелета и реальной (хотя не всегда очевидной) потребностью пользователя, то как этот разрыв преодолеть?

2. Чем отличаются доспехи древности от современного экзоскелета человека?

3. Можно ли считать защитные экзоскелеты исключительно современным изобретением?

4. Что такое средство малой механизации?

5. Что такое "ортез" и чем он отличается от экзоскелета?

4. Зачем «подсматривать» у природы или общие принципы управления движением живых и не живых объектов

4.1. Зачем инженеру обращать внимание на природу

Любая инженерная система создается не в пустоте. Как бы смело ни выглядели человеческие фантазии, подавляющее большинство технических решений имеет корни в природных прототипах. Это не фигура речи. Материалы, структуры, способы движения, принципы передачи усилий – все это так или иначе уже существует в живом мире.

Когда мы изучаем природу, мы фактически анализируем миллиардолетний архив инженерных решений, доведенных до функционального совершенства естественным отбором. Поэтому «подсматривание» у природы – это не поэтическое сравнение, а рациональный путь поиска оптимальных конструкций и способов управления движением.

4.2. Образы природы в технике: от фантазии к инженерной логике

Даже самые необычные фантазии о возможных формах жизни, например «колесники» из романа Клиффорда Саймака «Заповедник гоблинов», оказываются не полностью оторванными от действительности. В книге Саймака разумное существо представляло собой колонию насекомых, передвигающихся на колесах.

На первый взгляд – идея парадоксальная. Однако естественные аналоги все же существуют. Один из них – перекати-поле. Это растение, которое использует качение для распространения, показывая, что принцип «круглого тела, движущегося по поверхности» реализуется и в живой природе.

Само колесо долгое время считалось чисто техническим изобретением, но если рассматривать движение, а не материальное исполнение, аналогию найти можно. Поэтому фантастические образы зачастую становятся поводом для инженерных размышлений: можно ли объединить свойства живого организма и элементы механики для расширения двигательных возможностей?

Сегодня такие гибридные решения не выглядят фантастикой. Простейший пример – животные-инвалиды на специальных колесных опорах. Человек дополняет живую систему искусственной – и тем самым расширяет ее подвижность.

4.3. Природа как источник конструктивных решений

Одним из источников вдохновения для данной главы был Зоологический музей МГУ – место, где собрана огромная коллекция естественных скелетов. Эти структуры – наглядные примеры того, как природа решает задачи сопротивления гравитации и передачи нагрузок.

Скелеты – это механические конструкции в чистом виде. Они оптимизированы, легки, прочны, энергоэффективны. Поэтому при создании экзоскелетов нам полезно изучать не только формы костей, но и их внутреннее строение, организацию тканей и принципы адаптации.

Губчатая кость как иерархический материал

Особый интерес представляет губчатая костная ткань – яркий пример многоуровневой иерархической структуры.

На макроуровне она выглядит как пространственная решетка из тонких костных пластин и балок. Эта решетка одновременно жесткая и упругая. Пространство между элементами заполнено мягким костным мозгом, что создает сочетание твердой несущей структуры и мягкого заполнителя.